Schadensformen an Zahnrädern

Die verschiedenen Schadensformen an Zahnrädern

Die Schadensformen an Zahnrädern sind vielfältig. Hauptsächlich kann zwischen Zahnflanken- und Zahnfussschäden unterschieden werden. Diese wiederum weisen verschiedene Unterkategorien auf. Aber wie wird unterschieden? Was sind die Merkmale?

Wir haben hier für Sie alles kurz und kompakt zusammengetragen.


Zahnflankenschäden

Zahnflankenschäden können auf verschiedene Verschleissmechanismen zurückgeführt werden. Es gibt vier relevante Verschleissmechanismen (Oberflächenzerrüttung, Abrasion, Adhäsion und chemische Reaktion), welche sich in energetische und stoffliche Wechselwirkungen unterteilen. Bei der energetischen Wechselwirkung entstehen durch mechanische Beanspruchung Risse und Stoffabtragung an den Kontaktpartnern. Stoffliche Wechselwirkungen hingegen bewirken unter Beteiligung von Materialabtrennprozessen Stoff- und Formänderungen. Zahnflankenschäden werden wie folgt differenziert:

Hier weist die geschädigte Oberfläche ein mattgraues Erscheinungsbild auf. Ursache dafür ist ein Netz oberflächennaher Risse in Verbindung mit einer Vielzahl ausgebrochener Poren. Diese Schädigung beginnt in der Regel am treibenden Rad und wächst Richtung Zahnkopf. Selten tritt sie auch am Gegenrad auf. Graufleckenschäden bewirken eine erhöhte Laufunruhe und dynamische Zusatzkräfte, die sich auf die Zahnfussbelastung auswirken. Der Hauptgrund für diese Schädigung liegt in niedrigen Schmierfilmdicken infolge hoher Oberflächenrauheit.

Grübchenschäden entstehen durch Überschreiten der lokalen Wälzfestigkeit des Verzahnungswerkstoffs in der Randzone. Diese erkennt man an muschelförmigen Ausbrüchen in Dreiecksform und einer weitestgehend ebenen, parallel zur Zahnflankenoberfläche verlaufenden Bruchfläche. Grossflächige, tiefe Grübchen treten häufig in Verbindung mit hoher Spannung auf, während kleine, flache Grübchen bei niedrigen Pressungen und einem ungünstigen Schmierzustand auftreten. Für Grübchenschäden ist vor allem der durch die Hertz’sche Pressung induzierte Spannungszustand im Werkstoff massgebend. Da es sich um einen Ermüdungsschaden des Werkstoffs handelt, sind die Werkstoffgüte und die Werkstoffhärte elementar.

Dies kann bereits bei kurzzeitiger Überlastung auftreten. Ein Fressschaden erkennt man an der in Zahnhöhenrichtung verlaufenden, streifigen Aufrauhung unterschiedlicher Tiefe und Breite einzelner Flankenbereiche oder ganzer Zahnbreiten. Bei Zahnrädern gelten diese Schäden als besonders kritisch. Hauptsächlich können eine zu grosse Oberflächenrauheit der Zahnflanken oder ein zu kleines Zahnflankenspiel – bei entsprechenden Pressungen und Gleitgeschwindigkeiten – einen Fressschaden verursachen. Werden also nicht bereits im Voraus geeignete Gegenmassnahmen ergriffen, nehmen bei fortgeschrittenem Fressen Verlustleistung, Temperatur und Materialverlust zu. Dies wiederum kann zu verstärkten Schwingungen im Getriebe und zu erhöhter Zahnbruchgefahr führen.

Dieser entsteht in der Regel durch den Materialtrennprozess der Mikrospanbildung. Abrasiver Verschleiss hat eine Flankenformänderung zur Folge, die zu veränderten Eingriffsverhältnissen aber auch zu Folgeschäden wie Zahnbruch führen kann. Mit der geeigneten Werkstoffauswahl und -behandlung sowie einer geringen Oberflächenrauheit kann dem vorgebeugt werden. Bereits geringfügige Härteunterschiede zwischen Ritzel und Rad können ausschlaggebend sein. Deshalb sollte – so weit möglich – stets die gleich harte Ausführung der Zahnräder angestrebt werden. Gleichzeitig wirken sich alle Massnahmen, die zu einer grösseren Schmierfilmdicke beitragen, vorteilhaft aus.

Flankenbruch ist ein Ermüdungsschaden, der sowohl an Stirnrad- wie auch an Kegelradverzahnungen auftritt. Die Brüche treten vor allem am treibenden Zahnrad und ohne vorherige Ankündigung auf. Charakteristisch für Zahnflankenbruch ist der Rissverlauf, welcher in einen Primär- und einen Sekundärriss unterteilt werden kann. Das ermüdungsbedingte Risswachstum findet über einen längeren Zeitraum statt; der Restgewaltbruch tritt dann aber während weniger Überrollungen spontan auf. Für die Schädigungen sind neben der Höhe der äusseren Belastung auch die aus der Wärmebehandlung resultierenden Werkstoffeigenschaften massgebend.

Zahnfussschäden

Bricht ein ganzer Zahn oder grössere Teile von Zähnen am Zahnfuss ab, spricht man von Zahnbruch. Dieser führt zum Totalausfall eines Getriebes. Generell wird hier zwischen Gewalt- und Dauerbruch unterschieden.

Ein Gewaltbruch ist die Folge einer starken Überlastung – z.B. Verklemmen mit anderen Maschinenteilen. Meist sind sie nicht auf Fehler bei der Auslegung der Fertigung zurückzuführen. Unterschieden wird hier zwischen sprödem und zähem Gewaltbruch. Während sich beim spröden Gewaltbruch die Bruchfläche samtartig bzw. feinkörnig und matt ausbildet, zeigen sich beim zähen Gewaltbruch auf der Endseite des Bruches ein Wulst und eine stark verformte Bruchfläche. Für den spröden Bruch ist die Biegebeanspruch massgebend, während beim zähen Gewaltbruch von Schubbeanspruchung ausgegangen werden kann.

Ein Dauer- oder Ermüdungsbruch entsteht als Folge der bei Verzahnungen auftretenden dauerhaft wechselnden Belastung der Zähne – also durch Überbeanspruchung der Verzahnung. Nach einer gewissen Zeit bildet sich ein Anriss, der bei fortschreitender Belastung so lange wächst, bis schlussendlich der Zahn durch die Belastung abbricht.

Schadensformen und die GROB AG

Wir unterstützen unsere Kunden auf Wunsch bereits bei der Auslegung ihrer Verzahnungsanwendungen. In dieser Phase kann die Lebensdauer der Zahnräder oder die Vermeidung von späteren Verzahnungsschäden massgeblich beeinflusst werden. Zudem bieten wir Begutachtungen von Zahnrädern an, welche im Einsatz beschädigt wurden. Mit unserem Know-how finden wir meist den Grund für die Beschädigung und können unseren Kunden eine Lösung vorschlagen, welche die Lebensdauer der bestehenden Übersetzung verbessert.

GROB AG Nebikon, Ursula Hofer